Engenharia de Contorno de Grão

De acordo com Winning (2006), a melhoria das propriedades dos metais pode ser encontrada pela composição química das ligas, tamanho de grão, trabalho a quente e a frio, tempo de solubilização, temperatura e textura do material. Atualmente, tem-se tentado correlacionar a melhoria destas propriedades com a misorientação e com a distribuição dos contornos de grãos dentro do material (WINNING, 2006).

Este tipo de correlação é conhecida como engenharia do contorno de grão. Randle e Owen (2006) afirmam ainda que vários tipos de degradação intergranular respondem à engenharia do contorno de grão, a qual manipula a estrutura do contorno de grão para melhorar propriedades como a resistência à corrosão.

O termo engenharia microestrutural tem sido utilizado para desenvolver o controle da microestrutura em função das propriedades desejadas para um determinado material. O controle das fases presentes, da morfologia e da orientação cristalina é possível, a partir da determinação da rota de processamento termomecânico imposta ao material (PINTO; VIANA, 2006).

O estudo de interfaces tem constituído em uma das mais básicas preocupações científicas, o que vem resultando amplos desdobramentos tecnológicos em diversos

campos. Dentre estas, as interfaces homofásicas, ou contornos de grão, correspondem à fronteira entre domínios cristalinos de uma mesma fase. Estas interfases desempenham um papel fundamental na formação da microestrutura e controle das propriedades e átomos de soluto. O papel do contorno dependerá de sua densidade específica, textura cristalográfica e composição química. Embora este seja o tipo mais básico de interface, a sua compreensão mais ampla, bem como o tratamento estatístico de sua natureza, carecem ainda de pesquisas mais aprofundadas (PINTO; VIANA, 2006).

A técnica de EBSD tornou possível estudar os contornos de grãos sob uma nova óptica, onde não só a morfologia e as dimensões são caracterizadas, mas também sua cristalografia. Embora tal possibilidade já estivesse disponível através do MET, a técnica de EBSD permite agora estudar grandes regiões do material com rapidez, dando origem a dados com significância estatística (PINTO; LOPES, 2001). A técnica

de EBSD permitiu um maior desenvolvimento à engenharia de contorno de grão. Contornos CSL

O contorno de grão pode ser definido por cinco parâmetros diferentes. Três destes parâmetros descrevem a misorientação entre grãos adjacentes e os outros dois descrevem o plano normal do contorno de grão com relação aos grãos adjacentes.

Vários modelos de contornos de grãos foram apresentados, sendo o modelo de maior aceitação aquele no qual o contorno foi considerado como um empilhamento de discordâncias responsável pela rotação entre as redes cristalinas vizinhas. A figura clássica proposta neste modelo para contornos de rotação simétricos é apresentada na Figura 2.23, a qual baliza o uso da expressão seguinte para determinação do ângulo de inclinação entre as redes cristalinas como mostrado na Equação 2.37:

θ ≈ b

h (2.37)

onde é b o vetor de Burgers e h é espaçamento entre as discordâncias.

A natureza complexa das forças interatômicas e mecanismos de relaxação em contornos de grão e contornos de fase motivou o desenvolvimento de critérios geométricos simples associados a contornos de baixa energia. Por critério geométrico, quer-se dizer que não está levando em conta a interação física entre os átomos da interface (PINTO; LOPES, 2001). A rigor, a descrição geométrica total de um contorno

(a) (b)

(c)

Figura 2.23: (a) Desenho esquemático de um contorno simétrico de rotação resultante do empilhamento de discordâncias. (b) Desenho esquemático de um contorno assimétrico de discordâncias. (b) Desenho esquemático de um contorno de torção

de grão é um problema com 5 graus de liberdade que pode ser descrito por:

◮ Um eixo comum às redes cristalinas adjacentes juntamente com um ângulo de

rotação que leva uma rede a coincidir com a outra;

◮ Um vetor normal ao plano do contorno.

Deve-se notar que, no sistema cúbico, cada par eixo-ângulo pode ser descrito por 24 diferentes pares, correspondentes aos 24 elementos de simetria do sistema cúbico. Desta forma, a caracterização completa do contorno de grão não pode ser feita somente através da relação de orientação entre redes cristalinas vizinhas. É necessário também determinar a inclinação do plano de contorno, tal como mostrado na Figura 2.24 (PINTO; VIANA, 2006;PINTO; LOPES, 2001).

Figura 2.24: Representação genérica de um contorno de grão.

A partir de experiências com bicristais e modelos de esferas, nasceram modelos baseados no espaçamento médio de planos da rede paralelos ao contorno, na densidade planar de sítios de coincidência (Γ) e na densidade volumétrica recíproca de sítios de coincidência (“coincidence site lattice” - CSL), Σ (RANDLE; ENGLER,

2000;PINTO; VIANA, 2006). A Figura 2.25 mostra a interpenetração de duas redes

cristalinas vizinhas que formam um contorno de Σ = 5, através da qual é possível avaliar a densidade de sítios de coincidência (PINTO; VIANA, 2006;KURBAN, 2006).

Segundo Kurban (2006), CSL é uma rede tridimensional que pode ser construída por pontos da rede, comuns a dois grãos adjacentes numa certa misorientação cristalográfica. O CSL é considerado a menor subrede entre grãos. O grau de coincidência ou periodicidade entre grãos adjacentes é representado pelo parâmetro Σ, o qual representa a fração inversa de sítios coincidentes.

Contornos de grãos caracterizados por valores de Σ baixo (alta periodicidade), geralmente Σ ≤ 29 são considerados contornos de grãos especiais e mostram-se

Figura 2.25: Contorno de Σ = 5 formado a partir de duas redes cúbicas rodadas de 36,9o em torno do eixo <001>. Os círculos azuis denotam os sítios de coincidência entre as redes vermelha e verde.

melhores nas propriedades físicas e químicas que os elevados valores de Σ, geralmente Σ ≥ 29 (baixa periodicidade). Pinto e Lopes (2001) explicam que isto se deve a maior grau de ordem estrutural. A Tabela 2.2 mostra os possíveis pares eixo ângulo para contornos até Σ = 29 (PINTO; VIANA, 2006).

De acordo com Randle e Owen (2006), não só a presença de contornos especiais é importante, mas também a distribuição e a topologia destes contornos na microestrutura. Em outras palavras é importante romper as conexões de contornos randômicos, permitindo que contornos de grãos especiais sejam formados. Os autores afirmam que este parâmetro afeta diretamente o comportamento do material e a conectividade dos contornos chega ser mais importante que a fração absoluto de contornos especiais (RANDLE, 2004).

Vários autores relacionam propriedades dos contornos de grãos (energia, susceptibilidade à corrosão e susceptibilidade à segregação) com a estrutura do contorno de grão caracterizado pelo modelo de CSL (KURBAN, 2006;PINTO; VIANA,

2006; RANDLE; OWEN, 2006; RANDLE, 2004; CHADWICK; SMITH, 1976). Tem-se

afirmado que os contornos de baixo CSL possuem estruturas bem ordenadas e geralmente apresentam propriedades especiais em relação aos contornos randômicos (PINTO; VIANA, 2006;CHADWICK; SMITH, 1976), tais como:

Tabela 2.2: Pares eixo-ângulo correspondentes aos contornos CSL até Σ = 29 nos sistemas cúbicos. Σ θ Eixo 1 O Qualquer 3 60 <111> 5 36,87 <100> 7 38,21 <111> 9 38,94 <110> 11 50,48 <110> 13a 22,62 <100> 13b 27,80 <111> 15 48,19 <210> 17a 28,07 <100> 17b 61,93 <221> Σ θ Eixo 19a 26,53 <110> 19b 46,83 <111> 21a 21,79 <111> 21b 44,40 <211> 23 40,45 <311> 25a 16,25 <100> 25b 51,68 <331> 27a 31,58 <110> 27b 35,42 <210> 29a 43,61 <100> 29b 46.39 <221> ◮ Menor suscetibilidade à segregação de soluto;

◮ Menor energia em metais puros;

◮ Maior mobilidade com solutos específicos em certas faixas de concentração; ◮ Menor difusividade;

◮ Maior resistência ao deslizamento do contorno de grão, fratura e cavitação; ◮ Menor resistividade elétrica intrínseca;

◮ Maior resistência à iniciação de corrosão localizada.

Em conseqüência, o controle da distribuição de contornos de grão de baixo CSL pode levar a materiais policristalinos com propriedades diferenciadas.

Partindo do pressuposto de que os contornos especiais efetivamente proporcionem melhores propriedades aos materiais policristalinos, a questão fundamental para efetuar uma engenharia do contorno de grão passa a ser como aumentar a quantidade de contornos CSL. (PINTO; VIANA, 2006).

Deve-se lembrar que o próprio desenvolvimento de determinadas componentes de textura pode levar à alteração da cristalografia dos contornos de grão, contudo há outras formas como isto pode acontecer (PINTO; VIANA, 2006):

◮ Maclagem: Pode-se obter uma população de contornos mais favorável através

da formação de maclas de recozimento. Sob condições adequadas, pode-se deflagrar a formação de maclas em contornos de grão orientados de forma favorável, o que resulta na formação de 3 novos contornos, incluindo maclas coerentes e incoerentes. Deve-se notar que uma macla somente será formada se a energia livre associada com a configuração após a maclagem for menor do que a configuração original. Esta tem sido a rota mais utilizada nos processos de engenharia de contorno de grão;

◮ Crescimento de grão : O crescimento de grão é a forma clássica de redução da

energia de contorno de grão de um sistema. Entretanto, a força motriz para o crescimento de grão é a redução da energia superficial total dos contornos, ao invés da energia livre de cada contorno. Ou seja, o crescimento de grão não garante o aumento da proporção de contornos especiais, apesar de violar um requisito comum do projeto da microestrutura que é a diminuição do tamanho de grão;

◮ Rotação do grão : A rotação dos grãos tem sido observada tanto em materiais

bidimensionais como em materiais tridimensionais durante tratamentos térmicos curtos à baixa temperatura. Contudo, este costuma ser um fenômeno apenas superficial devido às constrições envolvidas;

◮ Rotações locais da rede : Durante a deformação, observa-se a rotação e

curvatura da rede no interior dos grãos, bem como regiões de acomodação das constrições próximas aos contornos de grão em policristais. A efetiva observação deste efeito somente se tornou possível a partir do desenvolvimento das técnicas de EBSD e canalização de elétrons;

◮ Rotação e recuperação do contorno de grão : A orientação de um contorno de

grão dentro de uma determinada desorientação entre grãos vizinhos tem um grande efeito sobre a energia livre do contorno e conseqüentemente, sobre o potencial de rotação do plano do contorno ao invés do grão, em posições que minimizem a energia. A rotação do contorno de grão pode ser assistida pela recuperação do contorno de grão, onde discordâncias da rede serão assimiladas à estrutura do contorno de grão, causando a própria rotação do plano do contorno.

Dentre as opções de tratamento térmico que têm sido tentadas e propostas para aumentar o número de maclas em materiais CFC de baixa energia de falha de empilhamento pode-se ressaltar os seguintes (RANDLE, 1999):

◮ Recristalização interativa - Neste caso procura-se realizar recristalizações

sucessivas mantendo o tamanho de grão pequeno e textura quase aleatória;

◮ Recristalização em uma etapa - Um recozimento curto após deformações

médias também podem gerar uma grande quantidade de maclas, em alguns casos superior à recristalização interativa;

◮ Recozimento interativo após deformação - Quando uma pequena deformação

é imposta, por exemplo 6%, observa-se um aumento da quantidade de Σ 3 ao se realizar um recozimento sem recristalização;

◮ Recozimento após deformação em uma etapa - A realização de apenas um

recozimento também já mostrou ser capaz de alterar a cristalografia do contorno de grão.

Misorientação

A misorientação é definida como a diferença de orientação entre duas orientações individuais. Existem diversas categorias de misorientação tais como (RANDLE; ENGLER, 2000):

◮ Misorientação entre grãos vizinhos, como por exemplo, misorientação entre

contornos de grãos (também denominado de mesotexture);

◮ Misorientação entre um único grão e outros grãos, como por exemplo, um grão

grande e vários grãos pequenos;

◮ Misorientação dentro do grão ou ainda misorientação entre vários sítios

dentro de grãos vizinhos. Este último exemplo é constatado em materiais recristalizados que apresentam pequenas mudanças na orientação dentro do grão;

◮ Funções de distribuição de misorientação e suas derivadas; ◮ Relação de orientação entre fases diferentes.

As várias formas de representação da textura cristalográfica buscam relacionar a orientação da célula unitária das redes cristalinas com os eixos macroscópicos da amostra. Para se definir a cristalografia do contorno do grão, torna-se necessário fazer uso de formas de representação que relacionem as células unitárias de grãos vizinhos. Uma destas formas é através de um par eixo-ângulo capaz de levar uma rede cristalina à coincidência com a outra. Tal forma faz uso do fato de que sempre haverá pelo menos um eixo comum às duas redes cristalinas de uma mesma fase (PINTO; LOPES, 2001).

Escolhido um eixo comum, basta determinar o ângulo de rotação necessário para levar as redes à coincidência. O par pode ser determinado matematicamente a partir dos ângulos de Euler de cada uma das redes. Deve-se notar, entretanto que no sistema cúbico, existem 24 diferentes formas de descrever uma orientação. Ao se considerar a desorientação entre dois cristais, existem também 24 diferentes ângulos de rotação. Assim pode-se escolher quaisquer dois pontos onde a orientação tenha sido determinada pela análise dos padrões Kikuchi e escolher um par eixo-ângulo que os relacione. Pode-se então construir uma função de distribuição de mesotextura (MDF - Misorientation Distribution Function), na qual se procura mostrar a distribuição dos pares num espaço cilíndrico, onde a base do espaço corresponde à uma projeção estereográfica e à altura corresponde ao ângulo de rotação.

A forma mais tradicional de representar a misorientação é apresentar sua freqüência com o ângulo de misorientação através de um gráfico de barras, tanto para baixos ângulos quanto para altos ângulos (RANDLE; ENGLER, 2000). Costuma-se

definir como contornos de baixo ângulo, aqueles com diferença de orientação inferior a 15◦, e de alto ângulo aqueles com mais de 15◦ de diferença (_{PINTO; LOPES}, 2001). Segundo Pinto e Lopes (2001) a misorientação permite definir os contornos de grãos de um material submetido a deformação. As definições de contornos de baixo e alto ângulos permitem definir os contornos a partir da diferença de orientação, permite ainda observar a estrutura do contorno de grão de materiais de difícil ataque ou até de contornos de subgrão.

Winning (2006) por sua vez, conseguiu relacionar a misorientação com os níveis de tensões aplicados ao material. Em seu estudo, ele comparou materiais solubilizados sem nenhuma tensão, materiais solubilizados e expostos a tensões de 0.035MPa e materiais solubilizados com tensões de 10MPa. O autor constatou que uma maior misorientação foi encontrada para baixos ângulos em amostras com

tensões aplicadas de 10MPa. Por outro lado, a maior misorientação para altos ângulos ocorre em amostras não tensionadas. Winning (2006) constatou em seus experimentos que as tensões mecânicas influenciam a microestrutura, bem como as propriedades do material.

Capítulo

3

Metodologia

3.1

Materiais

O material usado para o presente estudo foi o aço ASTM 106 Gr B de 2” de diâmetro. Os tubos foram de aço sem costura e laminado a quente comprados da industrial V & M Tubes do Brasil S.A. A composição química dos aços está mostrada na Tabela 3.1. As propriedades mecânicas dos tubos são apresentadas na Tabela